Submitted by Lucienne Costa (lucienneferreira@ufcg.edu.br) on 2018-04-12T20:30:01Z No. of bitstreams: 1 PAULO GERMANO TAVARES MARINHO FILHO – DISSERTAÇÃO (PPGECA) 2017.pdf: 8052393 bytes, checksum: 1aa31fc493264a0804e2c04a30e23151 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-12T20:30:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 PAULO GERMANO TAVARES MARINHO FILHO – DISSERTAÇÃO (PPGECA) 2017.pdf: 8052393 bytes, checksum: 1aa31fc493264a0804e2c04a30e23151 (MD5) Previous issue date: 2017-06-06 / Atualmente tem-se desenvolvido pesquisas voltadas para melhoria do desempenho das misturas asfálticas a fim que estes sejam duráveis, que apresentem menores deformações permanentes e tenham uma maior vida de fadiga. Para isto, tem-se utilizado técnicas de modificação de ligantes asfálticos, e.g. polímeros, fíleres, fibras e recentemente os nanomateriais, quem têm apresentado viabilidade técnica e econômica para este fim. Esta pesquisa tem por objetivo estudar a incorporação de nanopartículas de dióxido de titânio na modificação de ligantes asfálticos tipo CAP 50/70 e ligante 55/75-E. As nanopartículas foram adicionadas nos teores de 0%, 3%, 4% e 5%, no estado pura e modificada superficialmente pelo uso de três agentes distintos (ácido oleico, álcool benzílico e oleilamina). A pesquisa foi dividida em quatro etapas: a primeira etapa consistiu na análise da Espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) destes ligantes, na segunda etapa foi realizada a avaliação destes por meio de ensaios físicos (penetração e ponto de amolecimento) e reológicos [viscosidade rotacional, grau de desempenho (PG), fluência e recuperação sob tensões múltiplas (MSCR) e varredura linear de amplitude (LAS)], na terceira etapa os ligantes foram submetidos à exposição de radiação UV natural e variações térmicas durante o período de 3 meses e analisados por meio de FTIR e ensaios reológicos e a última etapa consistiu na modificação superficial das nanopartículas a fim de melhorar a dispersão do material na matriz asfáltica. Os resultados indicaram a viabilidade técnica da incorporação das nanopartículas de TiO2 ao ligante tipo CAP 50/70, pois aumentaram a vida de fadiga, a resistência a deformações e retardaram o processo de envelhecimento, além disto, a modificação superficial das nanopartículas com oleilamina melhorou a interação da partícula com o ligante, contribuindo para melhoria dos parâmetros supracitados. A incorporação do nanoTiO2 aos ligantes do tipo 55/75-E não forneceu melhorias significativas quanto ao observado para o CAP 50/70, embora tenha apresentado resultados superiores ao ligante de referência (55/75-E puro). A incorporação de nanopartículas modificadas superficialmente com oleilamina ao ligante 55/75-E proporcionou maior resistência ao envelhecimento e menor suscetibilidade a deformações permanentes e trincas, no entanto, estes ganhos foram mais expressivos para o CAP 50/70. / Researches have been carried out on improving the performance of asphalt binders so they can be durable, present less permanent deformation and longer fatigue life. For this, asphalt binder modification techniques have been used, e.g. polymers, fillers, fibers and, more recently, nanomaterials, which have presented technical and economic feasibility. This research aims to study the incorporation of titanium dioxide nanoparticles in the modification of asphalt binders CAP 50/70 and 55/75-E. The nanoparticles were added to the base asphalt binder at concentrations of 3, 4 and 5% of weight, in both pure and surface modified states. Three different agents were used for the surface modification: oleic acid, benzyl alcohol and oleylamine. The research was divided into four stages: the first one consisted in the analysis of the Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) of these binders, in the second one the binders were evaluated by means of physical (penetration and softening point) and rheological [rotational viscosity, performance grade (PG), multiple stress creep recovery (MSCR) and linear amplitude sweep (LAS)] tests, in the third stage the binders were exposed to natural UV radiation and thermal variations during a period of 3 months and analyzed by means of FTIR and rheological tests, and the last stage consisted in the surface modification of the nanoparticles. The results indicated the technical feasibility of the incorporation of TiO2 nanoparticles to the binder CAP 50/70, since it increased fatigue life, resistance to deformations and delayed the aging process. In addition, the surface modification of the nanoparticles with oleylamine improved the interaction of the particles with the binder, contributing to the improvement of the parameters mentioned above. The incorporation of nanoTiO2 to the 55/75-E binder did not provide as significant results as the observed for CAP 50/70, although it presented better results than the base binder. The incorporation of surface modified nanoparticles with oleylamine to the 55/75-E binder provided higher resistance to aging and less susceptibility to permanent deformations and cracks, although less expressive than the verified for CAP 50/70.

O trincamento por fadiga é um dos principais mecanismos de deterioração dos pavimentos flexíveis e, mesmo assim, é, ainda hoje, um dos defeitos mais difíceis de serem controlados. Uma das alternativas para a melhoria das características de fadiga das misturas asfálticas é o emprego de ligantes asfálticos modificados, porém, há dúvida se o enrijecimento provocado pela adição dos modificadores pode influenciar a resistência à fadiga da mistura asfáltica. Com o intuito de mensurar características do ligante asfáltico que tenham relação com o trincamento por fadiga da mistura asfáltica, alguns ensaios de laboratório foram desenvolvidos recentemente, destacando-se dois: o ensaio de varredura de tempo (time sweep) e o ensaio de varredura de amplitude linear (LAS). O objetivo deste trabalho é caracterizar o comportamento à fadiga de 12 ligantes asfálticos modificados de mesmo grau de desempenho (PG 76-xx). As formulações CAP+PPA, CAP+SBS, CAP+SBS+PPA, CAP+Borracha, CAP+Borracha+PPA, CAP+PE, CAP+PE+PPA, CAP+EVA, CAP+EVA+PPA, CAP+SBR, CAP+SBR+PPA e CAP+Elvaloy+PPA foram preparadas tendo como base um ligante asfáltico 50/70 de classificação PG 64-xx. Com base na caracterização realizada neste estudo, as principais conclusões são: (a) o material que apresentou melhor vida de fadiga foi o CAP+EVA; (b) o material menos sensível à deformação foi o CAP puro; (c) o menos sensível à temperatura foi o CAP+PPA; (d) o efeito do PPA nos ligantes asfálticos com outros aditivos provocou diminuição da vida de fadiga para a maioria das formulações, aumento da sensibilidade aos níveis de deformação para todas as formulações, diminuição da sensibilidade à temperatura e aumento da sensibilidade ao envelhecimento para a maioria das formulações; (e) tomando por base o ordenamento final das melhores características à fadiga dos ligantes asfálticos segundo os parâmetros analisados, o CAP+Borracha apresenta o melhor desempenho global / Fatigue cracking is a major mechanism of deterioration of flexible pavements, and even then, it is still one of the defects that are more difficult to control. One alternative to improve fatigue characteristics of asphalt mixtures is the use of modified asphalt binders; however, there is no doubt that the stiffening caused by the addition of modifiers can influence the fatigue resistance of asphalt mixture. In order to measure characteristics of asphalt binders that are related to the fatigue cracking of asphalt mixture, some laboratory tests have been recently developed such as the time sweep and the linear amplitude sweep (LAS) test. The objective of this study is to characterize the fatigue behavior of 12 modified asphalt binders with the same high-temperature performance grade (PG 76-xx). The formulations AC+PPA, AC+SBS, AC+SBS+PPA, AC+Rubber, AC+Rubber+PPA, AC+PE, AC+PE+PPA, AC+EVA, AC+EVA+PPA, AC+SBR, AC+SBR+PPA and AC+Elvaloy+PPA were prepared with a 50/70 base asphalt binder graded as PG 64-xx in the Superpave specification. Based on the characterization made in this study, the main conclusions are the following: (a) the material that showed better fatigue life was the AC+EVA; (b) the material that is less sensitive to deformation was the neat AC; (c) the less sensitive one to temperature was the AC+PPA; (d) the effect of PPA in asphalt binders prepared with other additives caused a reduction in the fatigue life for many formulations, an increase in the sensitivity levels of deformation for all formulations, a reduction in the sensitivity to temperature and an increase in the sensitivity to aging for several formulations; (e) on the final ranking of the characteristics of asphalt binders according to the parameters analyzed in this research study, the AC+Rubber showed the best overall performance

O trincamento por fadiga é um dos principais mecanismos de deterioração dos pavimentos flexíveis e, mesmo assim, é, ainda hoje, um dos defeitos mais difíceis de serem controlados. Uma das alternativas para a melhoria das características de fadiga das misturas asfálticas é o emprego de ligantes asfálticos modificados, porém, há dúvida se o enrijecimento provocado pela adição dos modificadores pode influenciar a resistência à fadiga da mistura asfáltica. Com o intuito de mensurar características do ligante asfáltico que tenham relação com o trincamento por fadiga da mistura asfáltica, alguns ensaios de laboratório foram desenvolvidos recentemente, destacando-se dois: o ensaio de varredura de tempo (time sweep) e o ensaio de varredura de amplitude linear (LAS). O objetivo deste trabalho é caracterizar o comportamento à fadiga de 12 ligantes asfálticos modificados de mesmo grau de desempenho (PG 76-xx). As formulações CAP+PPA, CAP+SBS, CAP+SBS+PPA, CAP+Borracha, CAP+Borracha+PPA, CAP+PE, CAP+PE+PPA, CAP+EVA, CAP+EVA+PPA, CAP+SBR, CAP+SBR+PPA e CAP+Elvaloy+PPA foram preparadas tendo como base um ligante asfáltico 50/70 de classificação PG 64-xx. Com base na caracterização realizada neste estudo, as principais conclusões são: (a) o material que apresentou melhor vida de fadiga foi o CAP+EVA; (b) o material menos sensível à deformação foi o CAP puro; (c) o menos sensível à temperatura foi o CAP+PPA; (d) o efeito do PPA nos ligantes asfálticos com outros aditivos provocou diminuição da vida de fadiga para a maioria das formulações, aumento da sensibilidade aos níveis de deformação para todas as formulações, diminuição da sensibilidade à temperatura e aumento da sensibilidade ao envelhecimento para a maioria das formulações; (e) tomando por base o ordenamento final das melhores características à fadiga dos ligantes asfálticos segundo os parâmetros analisados, o CAP+Borracha apresenta o melhor desempenho global / Fatigue cracking is a major mechanism of deterioration of flexible pavements, and even then, it is still one of the defects that are more difficult to control. One alternative to improve fatigue characteristics of asphalt mixtures is the use of modified asphalt binders; however, there is no doubt that the stiffening caused by the addition of modifiers can influence the fatigue resistance of asphalt mixture. In order to measure characteristics of asphalt binders that are related to the fatigue cracking of asphalt mixture, some laboratory tests have been recently developed such as the time sweep and the linear amplitude sweep (LAS) test. The objective of this study is to characterize the fatigue behavior of 12 modified asphalt binders with the same high-temperature performance grade (PG 76-xx). The formulations AC+PPA, AC+SBS, AC+SBS+PPA, AC+Rubber, AC+Rubber+PPA, AC+PE, AC+PE+PPA, AC+EVA, AC+EVA+PPA, AC+SBR, AC+SBR+PPA and AC+Elvaloy+PPA were prepared with a 50/70 base asphalt binder graded as PG 64-xx in the Superpave specification. Based on the characterization made in this study, the main conclusions are the following: (a) the material that showed better fatigue life was the AC+EVA; (b) the material that is less sensitive to deformation was the neat AC; (c) the less sensitive one to temperature was the AC+PPA; (d) the effect of PPA in asphalt binders prepared with other additives caused a reduction in the fatigue life for many formulations, an increase in the sensitivity levels of deformation for all formulations, a reduction in the sensitivity to temperature and an increase in the sensitivity to aging for several formulations; (e) on the final ranking of the characteristics of asphalt binders according to the parameters analyzed in this research study, the AC+Rubber showed the best overall performance

A adição de modificadores no ligante asfáltico visando melhorar o seu comportamento é uma prática comum atualmente. Existem vários tipos de modificadores, entre eles o mais utilizado nas rodovias federais brasileiras é o copolímero SBS. Além dos polímeros, o ácido polifosfórico (PPA) é outro tipo de modificador que produz boas características quando adicionado ao ligante asfáltico. Apesar do efeito positivo, sabe-se que este material é importado, o que dificulta sua aquisição e pode tornar o produto final muito caro. Tendo em vista a possibilidade de se trabalhar com um produto de mesma base, mas de origem nacional, o que o tornaria o modificador mais acessível, optou-se por verificar o comportamento da adição de ácido fosfórico (PA85) ao ligante asfáltico. Sendo assim, o propósito desta tese é analisar o efeito da adição de ácidos fosfóricos no comportamento reológico de ligantes asfálticos puros e modificados com o copolímero SBS. Para tanto, realizou-se ensaios empíricos e reológicos com o intuito de verificar o comportamento destes materiais. Na primeira parte da pesquisa, dois ligantes asfálticos de base, CAP50/70 de classificação PG64-XX, (Replan e Lubnor), foram modificados somente com a adição dos dois ácidos (PPA e PA85), enquanto na segunda parte esses ligantes asfálticos de base foram modificados com o copolímero SBS com ou sem a presença dos ácidos. Os ensaios avaliados foram penetração, ponto de amolecimento, viscosidade rotacional, ensaio de fluência e recuperação sob tensão múltipla (MSCR), LAS modificado, e estabilidade à estocagem. De maneira geral, a adição dos modificadores melhora o comportamento dos ligantes asfálticos, tendo em vista que melhoram a recuperação, ficam menos sensíveis à deformação permanente e são mais tolerantes à fadiga. Pode-se constatar que o tipo de ligante asfáltico de base influencia diretamente o comportamento dos materiais, independente dos modificadores adicionados. A adição dos modificadores foi mais expressiva no ligante asfáltico proveniente da Replan. Em relação aos ácidos, conclui-se que a adição do PA85 foi satisfatória, uma vez que apresentou comportamento semelhante ao do ácido PPA, porém com efeito um pouco menos expressivo. A adição dos ácidos melhorou a estabilidade à es tocagem dos ligantes asfálticos modificados, e pode-se constatar que a adição de um destes modificadores permite a redução do teor do copolímero SBS. Quanto à capacidade de suporte de tráfego, a adição de altos teores desses modificadores não é viável, devido ao fato de apresentarem suporte similar a ligantes asfálticos modificados com teores baixos e intermediários. / The addition of modifiers in asphalt binder to improve its behavior is a common practice nowadays. There are many types of modifiers, among them the most used in the Brazilian federal highways is the SBS copolymer. In addition to polymers, polyphosphoric acid (PPA) is another type of modifier that produces good characteristics when added to asphalt binder. Despite the positive effects, it is known that this material is imported, which makes its purchase as well as the final product very expensive. Considering the opportunity to work with a product with the same basic component, but of national origin, which would make it the most affordable modifier, the present study decided to verify the behavior of the addition of phosphoric acid (PA85) to the asphalt binder. Therefore, the purpose of this thesis is to analyze the effect of the addition of phosphoric acid to the rheological behavior of pure and modified asphalt binders with the SBS copolymer. For both, empirical and rheological tests were conducted in order to verify the behavior of these materials/substances. In the first part of the research, two asphalt binders base CAP50/70 asphalt binder graded PG64-XX (Replan and Lubnor) were modified only with the addition of the two acids (PPA and PA85), while in the second part of these asphalt binders base were modified with SBS copolymer with or without the presence of acids. The tests evaluated penetration, softening point, rotational viscosity, multiple stress creep and recovery (MSCR), LAS modified, and storage stability. In general, the addition of the modifiers enhances the behavior of the asphalt binders, for they improve recovery, are less susceptible to rutting and are more resistant to fatigue. It was found that the type of asphalt binder base directly influences the behavior of materials, regardless of added modifiers. The addition of modifiers was greater in the asphalt binder from the Replan. Compared to acids, it is concluded that the addition of PA85 was satisfactory, since the performance was similar to the PPA acid behavior, but with slightly less significant effect. The addition of acid improved the storage stability of the modified asphalt binders, and it was found that the addition of such modifiers allows reducing the content of the SBS copolymer. Regarding the ability to support traffic, the addition of high levels of these modifiers is not feasible because they show similar support for modified asphalt binders with low and intermediate levels.

O ensaio de fluência e recuperação sob tensão múltipla (MSCR) é resultado do aperfeiçoamento do ensaio de fluência repetida e recuperação (RCRT) pela Administração Rodoviária Federal dos Estados Unidos (FHWA) e tem por objetivo avaliar o percentual de recuperação, a compliância não-recuperável e a dependência dos ligantes asfálticos, especialmente os modificados, quanto ao nível de tensão. O MSCR foi utilizado neste estudo para caracterizar o comportamento fluência-recuperação de diversos ligantes asfálticos modificados virgens e envelhecidos a curto prazo. Foi empregado o procedimento da norma ASTM D7405, que prescreve os tempos de fluência e recuperação de 1 e 9 s, e avaliada a influência do aumento dos tempos de fluência e recuperação de 1 e 9 s para 2 e 18 s nas propriedades dos ligantes asfálticos envelhecidos a curto prazo. Além dos resultados destes ensaios, foram utilizados os valores de penetração, ponto de amolecimento, viscosidade rotacional, penetração retida, incremento do ponto de amolecimento, incremento de viscosidade e perda de massa para verificar quais ligantes asfálticos apresentam melhor comportamento à luz das propriedades e parâmetros considerados. Foram preparados doze materiais modificados e de classificação PG 76-XX tendo como base um CAP 50/70 de classificação PG 64-XX: CAP+PPA, CAP+Elvaloy+PPA, CAP+borracha, CAP+borracha+PPA, CAP+SBS, CAP+SBS+PPA, CAP+EVA, CAP+EVA+PPA, CAP+PE, CAP+PE+PPA, CAP+SBR e CAP+SBR+PPA. O CAP+Elvaloy+PPA apresenta, em um contexto geral, o melhor desempenho nas propriedades e parâmetros analisados em virtude dos bons resultados do percentual de recuperação e da compliância não-recuperável e das menores sensibilidades à tensão. O CAP+PE apresenta o pior desempenho geral dentre os materiais estudados, na medida em que os resultados do percentual de recuperação e da compliância não-recuperável deste ligante asfáltico são ruins e as sensibilidades ao aumento nos tempos de fluência e recuperação de 1 e 9 s para 2 e 18 s são elevadas. Ao ordenar os ligantes asfálticos do melhor para o pior à luz das propriedades e parâmetros considerados, o resultado é: CAP+Elvaloy+PPA, CAP+EVA, CAP+EVA+PPA, CAP+PPA, CAP+borracha+PPA, CAP+SBR+PPA, CAP+SBS+PPA, CAP+SBS, CAP+PE+PPA, CAP+borracha, CAP+SBR, CAP 50/70 e CAP+PE. / The multiple stress creep and recovery (MSCR) test is the result of a refinement of the repeated creep and recovery test (RCRT). This refinement was performed by the United States Federal Highway Administration (FHWA) with the aim of evaluating the percent recovery, the non-recoverable compliance and the stress dependency of asphalt binders, especially the modified ones. The MSCR test was applied in this study in order to characterize the creep-recovery behavior of unaged and short-term aged modified asphalt binders. The test procedure prescribed in ASTM D7405 specification was adopted and, to evaluate the influence of a greater creep-recovery time in the behavior of asphalt binders, the creep and recovery times of 2 and 18 s were also adopted in additional tests. The results of these tests, as well as the penetration, softening point, rotational viscosity, retained penetration, softening point increase, viscosity increase and mass loss data and mixing and compaction temperatures, were used with the objectives of ranking the asphalt binders and checking the ones with the best results in the parameters and properties considered. By using a PG 64-XX base asphalt-binder of 50/70 penetration grade, the following PG 76-XX odified asphalt binders were prepared: AC+PPA, AC+Elvaloy+PPA, AC+crumb rubber, AC+crumb rubber+PPA, AC+SBS, AC+SBS+PPA, AC+EVA, AC+EVA+PPA, AC+PE, AC+PE+PPA, AC+SBR and AC+SBR+PPA. In general, AC+Elvaloy+PPA has the best results in the parameters and properties considered in this study, especially due to the good results in the percent recovery and non-recoverable compliance and the lower stress sensitivity. In general, AC+PE has the worst results among the asphalt binders considered in this work, due to the facts that the percent recovery and non-recoverable compliance results are not good and the sensitivities to the creep-recovery times are high. By taking the results of this study and ranking the asphalt binders from the best to the worst, the following sequence is obtained: AC+Elvaloy+PPA, AC+EVA, AC+EVA+PPA, AC+PPA, AC+crumb rubber+PPA, AC+SBR+PPA, AC+SBS+PPA, AC+SBS, AC+PE+PPA, AC+crumb rubber, AC+SBR, neat AC and AC+PE.

O envelhecimento dos ligantes asfálticos possui uma grande influência sobre as propriedades mecânicas das misturas asfálticas. As especificações atuais limitam determinados índices ou parâmetros de envelhecimento, visando contornar o endurecimento excessivo do ligante asfáltico, porém, não levam em conta o efeito da radiação ultravioleta (UV). O objetivo deste trabalho é avaliar o efeito dos envelhecimentos termo-oxidativo e foto-oxidativo sobre as propriedades reológicas de um CAP puro e 11 ligantes asfálticos modificados, incluindo polímeros elastoméricos e plastoméricos, borracha moída de pneus e ácido polifosfórico, incluindo também combinações destes aditivos. Os ligantes asfálticos, com classificação por grau de desempenho PG 76-XX, preparados com base em um CAP 50-70 com classificação PG 64-22, foram previamente envelhecidos a curto prazo na estufa RTFO e posteriormente submetidos ao envelhecimento foto-oxidativo em uma estufa UV sob dois níveis de radiação, 0,68 W/m² e 1,00 W/m², por um período de 240 h. Para efeitos de comparação dos resultados, as mesmas amostras foram submetidas ao envelhecimento termo-oxidativo na estufa PAV. As amostras virgens e envelhecidas a curto prazo foram caracterizadas por meio de ensaios empíricos. Os resíduos obtidos nos envelhecimentos foram submetidos a ensaios no reômetro de cisalhamento dinâmico (DSR). Propriedades reológicas dos ligantes asfálticos foram analisadas por meio de curvas-mestre e do ensaio de fadiga LAS. Algumas amostras foram caracterizadas quimicamente por meio de espectroscopia no infravermelho (FTIR), cromatografia por permeação em gel (GPC) e do fracionamento SARA. Para a maioria das amostras os procedimentos PAV e UV a 0,68 W/m² apresentam certa equivalência, em termos da capacidade de alterar as propriedades reológicas analisadas. O ligante asfáltico que mostrou ser menos sensível ao envelhecimento PAV foi o CAP+SBR, o que demonstrou ser menos sensível ao envelhecimento UV a 0,68 W/m² foi o CAP+EVA, e o que demonstrou menor sensibilidade ao envelhecimento UV a 1,00 W/m² foi o CAP+SBS. O CAP+SBS+PPA foi a amostra que apresentou maior sensibilidade ao envelhecimento PAV e UV a 1,00 W/m². / Aging of the asphalt binders has a great influence on the mechanical properties of asphalt mixtures. The current specifications establish limits for some indexes or aging parameters in an attempt to avoid the excessive hardening of the asphalt binder; however, they do not take into account the effects of ultraviolet (UV) irradiation. The objective of this study is to analyze the impact of thermo-oxidative and UV aging methods on the rheological properties of a base asphalt cement (AC) and 11 formulations prepared with additives, i. e., elastomeric and plastomeric polymers, ground tire rubber and polyphosphoric acid. Combinations these additives were also included in the study. The modified asphalt binders are graded as PG-76 XX in the Superpave specification, whereas the 50-70 base AC is graded as PG 64-22 in the same specification. The materials were first aged in the rolling thin-film oven (RTFO), and then submitted to photo-oxidative aging in an UV oven at two irradiation levels (0.68 W/m² and 1.00 W/m²) for 240 h. For comparison purposes, these formulations were also subjected to thermo-oxidative aging in the pressurized aging vessel (PAV). The unaged and short-term aged samples were characterized by means of empirical tests. The residues obtained in the RTFOT, PAV e UV aging methods were tested in the dynamic shear rheometer (DSR). The rheological properties of asphalt binders were analyzed by means of master curves and the linear amplitude sweep (LAS) fatigue test. Some samples were chemically characterized by the Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), the gel permeation chromatography (GPC) and the SARA fractionation techniques. The PAV and the UV procedures at 0.68 W/m² show some similarities for many formulations in terms of the ability to change their rheological properties. The AC+SBR was found to be less sensitive to PAV aging than the other studied binders, whereas the AC+EVA was the less sensitive material to UV aging at 0.68 W/m² and the AC+SBS showed the lowest sensitivity to UV aging at 1.00 W/m². The AC+SBS+PPA was the most sensitive formulation to PAV and UV aging at 1.00 W/m².

A adição de modificadores no ligante asfáltico visando melhorar o seu comportamento é uma prática comum atualmente. Existem vários tipos de modificadores, entre eles o mais utilizado nas rodovias federais brasileiras é o copolímero SBS. Além dos polímeros, o ácido polifosfórico (PPA) é outro tipo de modificador que produz boas características quando adicionado ao ligante asfáltico. Apesar do efeito positivo, sabe-se que este material é importado, o que dificulta sua aquisição e pode tornar o produto final muito caro. Tendo em vista a possibilidade de se trabalhar com um produto de mesma base, mas de origem nacional, o que o tornaria o modificador mais acessível, optou-se por verificar o comportamento da adição de ácido fosfórico (PA85) ao ligante asfáltico. Sendo assim, o propósito desta tese é analisar o efeito da adição de ácidos fosfóricos no comportamento reológico de ligantes asfálticos puros e modificados com o copolímero SBS. Para tanto, realizou-se ensaios empíricos e reológicos com o intuito de verificar o comportamento destes materiais. Na primeira parte da pesquisa, dois ligantes asfálticos de base, CAP50/70 de classificação PG64-XX, (Replan e Lubnor), foram modificados somente com a adição dos dois ácidos (PPA e PA85), enquanto na segunda parte esses ligantes asfálticos de base foram modificados com o copolímero SBS com ou sem a presença dos ácidos. Os ensaios avaliados foram penetração, ponto de amolecimento, viscosidade rotacional, ensaio de fluência e recuperação sob tensão múltipla (MSCR), LAS modificado, e estabilidade à estocagem. De maneira geral, a adição dos modificadores melhora o comportamento dos ligantes asfálticos, tendo em vista que melhoram a recuperação, ficam menos sensíveis à deformação permanente e são mais tolerantes à fadiga. Pode-se constatar que o tipo de ligante asfáltico de base influencia diretamente o comportamento dos materiais, independente dos modificadores adicionados. A adição dos modificadores foi mais expressiva no ligante asfáltico proveniente da Replan. Em relação aos ácidos, conclui-se que a adição do PA85 foi satisfatória, uma vez que apresentou comportamento semelhante ao do ácido PPA, porém com efeito um pouco menos expressivo. A adição dos ácidos melhorou a estabilidade à es tocagem dos ligantes asfálticos modificados, e pode-se constatar que a adição de um destes modificadores permite a redução do teor do copolímero SBS. Quanto à capacidade de suporte de tráfego, a adição de altos teores desses modificadores não é viável, devido ao fato de apresentarem suporte similar a ligantes asfálticos modificados com teores baixos e intermediários. / The addition of modifiers in asphalt binder to improve its behavior is a common practice nowadays. There are many types of modifiers, among them the most used in the Brazilian federal highways is the SBS copolymer. In addition to polymers, polyphosphoric acid (PPA) is another type of modifier that produces good characteristics when added to asphalt binder. Despite the positive effects, it is known that this material is imported, which makes its purchase as well as the final product very expensive. Considering the opportunity to work with a product with the same basic component, but of national origin, which would make it the most affordable modifier, the present study decided to verify the behavior of the addition of phosphoric acid (PA85) to the asphalt binder. Therefore, the purpose of this thesis is to analyze the effect of the addition of phosphoric acid to the rheological behavior of pure and modified asphalt binders with the SBS copolymer. For both, empirical and rheological tests were conducted in order to verify the behavior of these materials/substances. In the first part of the research, two asphalt binders base CAP50/70 asphalt binder graded PG64-XX (Replan and Lubnor) were modified only with the addition of the two acids (PPA and PA85), while in the second part of these asphalt binders base were modified with SBS copolymer with or without the presence of acids. The tests evaluated penetration, softening point, rotational viscosity, multiple stress creep and recovery (MSCR), LAS modified, and storage stability. In general, the addition of the modifiers enhances the behavior of the asphalt binders, for they improve recovery, are less susceptible to rutting and are more resistant to fatigue. It was found that the type of asphalt binder base directly influences the behavior of materials, regardless of added modifiers. The addition of modifiers was greater in the asphalt binder from the Replan. Compared to acids, it is concluded that the addition of PA85 was satisfactory, since the performance was similar to the PPA acid behavior, but with slightly less significant effect. The addition of acid improved the storage stability of the modified asphalt binders, and it was found that the addition of such modifiers allows reducing the content of the SBS copolymer. Regarding the ability to support traffic, the addition of high levels of these modifiers is not feasible because they show similar support for modified asphalt binders with low and intermediate levels.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / It is certain that most of Brazilian highways are under unfavorable conditions of trafficability. Technological developments led to a large increase in load capacity of trucks, resulting in higher impacts on the highways. Another factor to be considered in this degradation process of pavements is climatic variations, very common in Brazil. Among many types of defects found on Brazilian highways, one deserves special attention, the fatigue cracking. Aiming to investigate this problem, this study aimed to study the fatigue phenomenon in laboratory for asphalt mixture used in the field (Av. Hélvio Basso, Santa Maria-RS) and evaluate in laboratory its possible improvement using polymer modified binder before to fatigue performance at three different temperatures: 10°C, 25°C and 35°C. Three asphalt mixtures were prepared in the la, two conventional binder used in the monitored section (CACAMPO asphalt content in the field, and CALAB 50/70 asphalt content obtained in laboratory dosage), and a third polymer modified binder with (CALAB 60/85-E). Mixtures reproduced in the laboratory were prepared according to the Marshall methodology and the materials were characterized according to traditional experiments. For all mixtures, the volumetric parameters were determined, stability, fluency, adhesion, Indirect Tensile Streght, Total Resilience Moduli and performance to fatigue by indirect tensile stress under controlled mode. These last three were held at the three test testing temperatures. In the laboratory, it was evident the improvement in thermal susceptibility properties and stability of the mixture by using the modified binder polymer, providing a blend less susceptible to variations in temperature and stable at high temperatures. The results obtained in the laboratory demonstrated the superiority of the mixture CALAB 60/85 E, for the three temperatures studied, with emphasis on the destructive tests at the higher temperature. The rigidity of the mixtures, measured by the resilience module, showed little influence by the use of the modified binder, however, showed very different behavior with variation in temperature. Regarding the fatigue performance, the modified blends proved to be far superior than the conventional mix, ensuring an increase in service life for the three temperatures studied, specially for the temperature of 35°C. The temperature variation of the test proved to be very crucial in the fatigue performance of the asphalt mixture, which is inversely proportional to the temperature increase. At the end of the study, it is concluded that the use of polymer modified binders for can be a great option to improve the performance of asphalt mixtures against the fatigue rupture mechanism and it can be used successfully in regions with large temperature variations. Thus, it is possible to ensure an increase in the service life of the asphalt layer and therefore to the pavement as a whole. / É notório que grande parte das rodovias brasileiras encontram-se em condições desfavoráveis de trafegabilidade. A evolução tecnológica permitiu um grande aumento da capacidade de carga dos caminhões, refletindo em maiores solicitações nas rodovias. Outro fator a ser considerado neste processo degradativo dos pavimentos são as variações climáticas, muito presentes no Brasil. Dentre tantos tipos de defeitos encontrados nas rodovias brasileiras, um deles merece destaque especial, a degradação por fadiga. Com intuito de investigar tal problema, o presente trabalho teve como propósito estudar o fenômeno de fadiga em laboratório para uma mistura asfáltica utilizada em campo (Av. Hélvio Basso, Santa Maria-RS) e avaliar, em laboratório, a sua possível melhora pelo uso de ligante modificado por polímero perante o seu desempenho à fadiga, em três temperaturas distintas: 10°C, 25°C e 35°C. Foram preparadas em laboratório três misturas asfálticas, duas com o ligante convencional utilizado no trecho monitorado (CACAMPO, teor de asfalto de campo, e CALAB 50/70, teor de asfalto obtido em dosagem de laboratório) e uma terceira, com ligante modificado por polímero (CALAB 60/85-E). As misturas foram preparadas conforme a Metodologia Marshall e os insumos foram caracterizados de acordo com ensaios tradicionais. Para todas as misturas, determinram-se os parâmetros volumétricos, estabilidade, fluência, adesividade, Resistência à Tração indireta, Módulo de Resiliência total e desempenho à fadiga por tração indireta à tensão controlada. Estes três últimos foram realizados nas três temperaturas de ensaio. Em laboratório, ficou evidente a melhora das propriedades de suscetibilidade térmica e estabilidade da mistura pelo uso do ligante modificado por polímero, proporcionando uma mistura menos suscetível às variações de temperatura e mais estável a temperaturas elevadas. Os resultados obtidos em laboratório demonstraram a superioridade da mistura CALAB 60/85-E, para as três temperaturas analisadas, com ênfase para os ensaios destrutivos à temperatura mais elevada. A rigidez das misturas, medida pelo Módulo de Resiliência, mostrou-se pouco influenciável pela utilização do ligante modificado, porém, apresentou comportamentos bem distintos com a variação da temperatura. Quanto ao desempenho à fadiga, as misturas modificadas apresentaram-se muito superiores às convencionais, garantindo um incremento na vida de serviço para as três temperaturas analisadas, sendo este, mais evidente para a temperatura de 35°C. A variação da temperatura de ensaio mostrou-se bastante determinante no desempenho à fadiga das misturas asfálticas, sendo este, inversamente proporcional ao aumento de temperatura. Ao término do estudo, conclui-se que o emprego de ligantes modificados por polímero pode ser uma ótima opção de melhora do desempenho de misturas asfálticas frente ao mecanismo de ruptura por fadiga, podendo ser utilizado com sucesso em regiões que apresentam grandes variações térmicas. Desta forma, garantindo um incremento na vida de serviço do revestimento asfáltico e consequentemente ao pavimento como um todo.

O ensaio de fluência e recuperação sob tensão múltipla (MSCR) é resultado do aperfeiçoamento do ensaio de fluência repetida e recuperação (RCRT) pela Administração Rodoviária Federal dos Estados Unidos (FHWA) e tem por objetivo avaliar o percentual de recuperação, a compliância não-recuperável e a dependência dos ligantes asfálticos, especialmente os modificados, quanto ao nível de tensão. O MSCR foi utilizado neste estudo para caracterizar o comportamento fluência-recuperação de diversos ligantes asfálticos modificados virgens e envelhecidos a curto prazo. Foi empregado o procedimento da norma ASTM D7405, que prescreve os tempos de fluência e recuperação de 1 e 9 s, e avaliada a influência do aumento dos tempos de fluência e recuperação de 1 e 9 s para 2 e 18 s nas propriedades dos ligantes asfálticos envelhecidos a curto prazo. Além dos resultados destes ensaios, foram utilizados os valores de penetração, ponto de amolecimento, viscosidade rotacional, penetração retida, incremento do ponto de amolecimento, incremento de viscosidade e perda de massa para verificar quais ligantes asfálticos apresentam melhor comportamento à luz das propriedades e parâmetros considerados. Foram preparados doze materiais modificados e de classificação PG 76-XX tendo como base um CAP 50/70 de classificação PG 64-XX: CAP+PPA, CAP+Elvaloy+PPA, CAP+borracha, CAP+borracha+PPA, CAP+SBS, CAP+SBS+PPA, CAP+EVA, CAP+EVA+PPA, CAP+PE, CAP+PE+PPA, CAP+SBR e CAP+SBR+PPA. O CAP+Elvaloy+PPA apresenta, em um contexto geral, o melhor desempenho nas propriedades e parâmetros analisados em virtude dos bons resultados do percentual de recuperação e da compliância não-recuperável e das menores sensibilidades à tensão. O CAP+PE apresenta o pior desempenho geral dentre os materiais estudados, na medida em que os resultados do percentual de recuperação e da compliância não-recuperável deste ligante asfáltico são ruins e as sensibilidades ao aumento nos tempos de fluência e recuperação de 1 e 9 s para 2 e 18 s são elevadas. Ao ordenar os ligantes asfálticos do melhor para o pior à luz das propriedades e parâmetros considerados, o resultado é: CAP+Elvaloy+PPA, CAP+EVA, CAP+EVA+PPA, CAP+PPA, CAP+borracha+PPA, CAP+SBR+PPA, CAP+SBS+PPA, CAP+SBS, CAP+PE+PPA, CAP+borracha, CAP+SBR, CAP 50/70 e CAP+PE. / The multiple stress creep and recovery (MSCR) test is the result of a refinement of the repeated creep and recovery test (RCRT). This refinement was performed by the United States Federal Highway Administration (FHWA) with the aim of evaluating the percent recovery, the non-recoverable compliance and the stress dependency of asphalt binders, especially the modified ones. The MSCR test was applied in this study in order to characterize the creep-recovery behavior of unaged and short-term aged modified asphalt binders. The test procedure prescribed in ASTM D7405 specification was adopted and, to evaluate the influence of a greater creep-recovery time in the behavior of asphalt binders, the creep and recovery times of 2 and 18 s were also adopted in additional tests. The results of these tests, as well as the penetration, softening point, rotational viscosity, retained penetration, softening point increase, viscosity increase and mass loss data and mixing and compaction temperatures, were used with the objectives of ranking the asphalt binders and checking the ones with the best results in the parameters and properties considered. By using a PG 64-XX base asphalt-binder of 50/70 penetration grade, the following PG 76-XX odified asphalt binders were prepared: AC+PPA, AC+Elvaloy+PPA, AC+crumb rubber, AC+crumb rubber+PPA, AC+SBS, AC+SBS+PPA, AC+EVA, AC+EVA+PPA, AC+PE, AC+PE+PPA, AC+SBR and AC+SBR+PPA. In general, AC+Elvaloy+PPA has the best results in the parameters and properties considered in this study, especially due to the good results in the percent recovery and non-recoverable compliance and the lower stress sensitivity. In general, AC+PE has the worst results among the asphalt binders considered in this work, due to the facts that the percent recovery and non-recoverable compliance results are not good and the sensitivities to the creep-recovery times are high. By taking the results of this study and ranking the asphalt binders from the best to the worst, the following sequence is obtained: AC+Elvaloy+PPA, AC+EVA, AC+EVA+PPA, AC+PPA, AC+crumb rubber+PPA, AC+SBR+PPA, AC+SBS+PPA, AC+SBS, AC+PE+PPA, AC+crumb rubber, AC+SBR, neat AC and AC+PE.

O envelhecimento dos ligantes asfálticos possui uma grande influência sobre as propriedades mecânicas das misturas asfálticas. As especificações atuais limitam determinados índices ou parâmetros de envelhecimento, visando contornar o endurecimento excessivo do ligante asfáltico, porém, não levam em conta o efeito da radiação ultravioleta (UV). O objetivo deste trabalho é avaliar o efeito dos envelhecimentos termo-oxidativo e foto-oxidativo sobre as propriedades reológicas de um CAP puro e 11 ligantes asfálticos modificados, incluindo polímeros elastoméricos e plastoméricos, borracha moída de pneus e ácido polifosfórico, incluindo também combinações destes aditivos. Os ligantes asfálticos, com classificação por grau de desempenho PG 76-XX, preparados com base em um CAP 50-70 com classificação PG 64-22, foram previamente envelhecidos a curto prazo na estufa RTFO e posteriormente submetidos ao envelhecimento foto-oxidativo em uma estufa UV sob dois níveis de radiação, 0,68 W/m² e 1,00 W/m², por um período de 240 h. Para efeitos de comparação dos resultados, as mesmas amostras foram submetidas ao envelhecimento termo-oxidativo na estufa PAV. As amostras virgens e envelhecidas a curto prazo foram caracterizadas por meio de ensaios empíricos. Os resíduos obtidos nos envelhecimentos foram submetidos a ensaios no reômetro de cisalhamento dinâmico (DSR). Propriedades reológicas dos ligantes asfálticos foram analisadas por meio de curvas-mestre e do ensaio de fadiga LAS. Algumas amostras foram caracterizadas quimicamente por meio de espectroscopia no infravermelho (FTIR), cromatografia por permeação em gel (GPC) e do fracionamento SARA. Para a maioria das amostras os procedimentos PAV e UV a 0,68 W/m² apresentam certa equivalência, em termos da capacidade de alterar as propriedades reológicas analisadas. O ligante asfáltico que mostrou ser menos sensível ao envelhecimento PAV foi o CAP+SBR, o que demonstrou ser menos sensível ao envelhecimento UV a 0,68 W/m² foi o CAP+EVA, e o que demonstrou menor sensibilidade ao envelhecimento UV a 1,00 W/m² foi o CAP+SBS. O CAP+SBS+PPA foi a amostra que apresentou maior sensibilidade ao envelhecimento PAV e UV a 1,00 W/m². / Aging of the asphalt binders has a great influence on the mechanical properties of asphalt mixtures. The current specifications establish limits for some indexes or aging parameters in an attempt to avoid the excessive hardening of the asphalt binder; however, they do not take into account the effects of ultraviolet (UV) irradiation. The objective of this study is to analyze the impact of thermo-oxidative and UV aging methods on the rheological properties of a base asphalt cement (AC) and 11 formulations prepared with additives, i. e., elastomeric and plastomeric polymers, ground tire rubber and polyphosphoric acid. Combinations these additives were also included in the study. The modified asphalt binders are graded as PG-76 XX in the Superpave specification, whereas the 50-70 base AC is graded as PG 64-22 in the same specification. The materials were first aged in the rolling thin-film oven (RTFO), and then submitted to photo-oxidative aging in an UV oven at two irradiation levels (0.68 W/m² and 1.00 W/m²) for 240 h. For comparison purposes, these formulations were also subjected to thermo-oxidative aging in the pressurized aging vessel (PAV). The unaged and short-term aged samples were characterized by means of empirical tests. The residues obtained in the RTFOT, PAV e UV aging methods were tested in the dynamic shear rheometer (DSR). The rheological properties of asphalt binders were analyzed by means of master curves and the linear amplitude sweep (LAS) fatigue test. Some samples were chemically characterized by the Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), the gel permeation chromatography (GPC) and the SARA fractionation techniques. The PAV and the UV procedures at 0.68 W/m² show some similarities for many formulations in terms of the ability to change their rheological properties. The AC+SBR was found to be less sensitive to PAV aging than the other studied binders, whereas the AC+EVA was the less sensitive material to UV aging at 0.68 W/m² and the AC+SBS showed the lowest sensitivity to UV aging at 1.00 W/m². The AC+SBS+PPA was the most sensitive formulation to PAV and UV aging at 1.00 W/m².